Физические основы механики. Колебания и волны. Элементы релятивистской механики

Курс «Физические основы механики» является базовой дисциплиной по физике в техническом университете и включает разделы «Кинематика. Законы сохранения в механике. Механические колебания и волны. Элементы релятивистской механики», в которых излагаются понятия и законы движения материальной точки и твердого тела, рассматриваются законы сохранения импульса, момента импульса и механической энергии тела (тел) в замкнутых системах, в которых действуют консервативные силы, теория свободных механических колебаний, свободных затухающих колебаний, вынужденных колебаний и характеристики колебательного движения, распространение волн в механических системах, основы специальной теории относительности, как теории, объясняющей особенности движения тел со скоростями близкими к скорости света и показывающей границы применимости классической механики, а также основные физические явления и основные законы разделов, включая границы их применимости и применение в важнейших практических приложениях, основные физические величины и физические константы, их определение, смысл, способы и единицы их измерения, фундаментальные физические опыты и их роль в формировании и развитии данного раздела.

Курс рассчитан на 9 учебных недель. Недельная нагрузка обучающегося по курсу - 7 академических часов. Еженедельные занятия будут включать: просмотр тематических видео-лекций; просмотр тематических видео-семинаров с решением типовых задач; самостоятельное изучение примеров решения задач, выполнение многовариантных теоретических тестовых заданий с автоматизированной проверкой результатов; выполнение многовариантных заданий по решению практических задач с автоматизированной проверкой результатов Предусмотрено промежуточное контрольное тестирование по каждому разделу курса и итоговое контрольное тестирование по всему содержанию курса с автоматизированной проверкой результатов.

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Механика.- М. : Наука. Физматлит, 2004, 1998.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. Волны. Оптика - М. : Наука. Физматлит, 2004, 1998.

3. Иродов И.Е. Механика. Основные законы. - М.-С.-П.:Физматлит, 2006, 2000

4. Иродов И.Е. Волновые процессы. Основные законы. - М.-С.-П.:Физматлит, 2006, 1999.

5. Иродов И.Е. Задачи по общей физике.- М.: Бином, 1998¸2001.

6. Иродов И.Е. Задачи по общей физике.- М.: Наука, 1988.

7. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике.- М.: Высшая школа, 2003, 1988.

8. Гладков Н.А., Романов А.С. Методические указания к домашнему заданию по курсу общей физики по теме «Законы сохранения. Колебания. Волны», 2012 г.

Дополнительная литература (ДЛ)

9. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. М.: Высшая школа, 1986.

10. Сивухин Д.В. Курс общей физики. Том I. Механика. -М.: Наука,1989.

11. Методические указания к решению задач по курсу общей физики. Раздел «Механика» под редакцией Яковлева М.А. – М: Изд-во МГТУ, 2001,1983.

Методические пособия, изданные в МГТУ (МП)

1. Голубев В.Г., Яковлев М.А. Олимпиадные задачи по физике. Разделы: Механика, термодинамика. .-М.: Изд-во МГТУ, 2006.-44с

2. Веретимус Д.К., Веретимус Н.К., Креопалов Д.В. Механические колебания. - .-М.: Изд-во МГТУ, 2008.-24с.

3. Веретимус Д.К., Веретимус Н.К., Креопалов Д.В. Механические волны. -М.: Изд-во МГТУ, 2009.-29с.

Курс опирается на объем ранее изученного только школьного материала, но требует знания основ аналитической геометрии, интегрального исчисления, векторной алгебры

Курс «Физические основы механики» состоит из 3 разделов:

Раздел 1. Кинематика. Динамика материальной точки и твердого тела. Законы сохранения в механике.

Неделя 1. Кинематика точки. Поступательное и вращательное движения.

1.1.Предмет физики. Материя, её виды, способы и формы существования. Физический объект, физическое явление, физический закон. Методы физических исследований. Физика и современное естествознание. Системы отсчета. Кинематика материальной точки.

Неделя 2. Динамика точки и механической системы при поступательном движении. Закон сохранения импульса.

1.2.Силы. Инерциальная система отсчета. Динамика материальной точки. Законы Ньютона. Механическая система и её центр масс. Уравнение изменения импульса механической системы. Закон сохранения импульса и однородность пространства.

Неделя 3. Динамика точки и твердого тела при вращательном движении. Закон сохранения момента импульса.

1.3.Момент силы. Момент импульса материальной точки и механической системы. Уравнение моментов для механической системы. Момент инерции твердого тела. Уравнение динамики вращательного движения. Закон сохранения момента импульса механической системы и его связь с изотропностью пространства.

Неделя 4. Работа. Механическая энергия твердого тела. Закон сохранения механической энергии.

1.1.Работа и кинетическая энергия. Консервативные силы. Работа в потенциальном поле.
1.2.Потенциальные энергии тяготения и упругих деформаций. Связь между потенциальной энергией и силой.

1.3.Закон сохранения энергии и его связь с однородностью времени.

Раздел 2. Механические колебания и волны.

Неделя 5. Механические колебания.

1. Свободные колебания.

1.1. Гармонические колебания. Векторная диаграмма. Сложение гармонических колебаний одного направления равных и близких частот. Сложение взаимно перпендикулярных гармонических колебаний равных и кратных частот.

1.2. Свободные незатухающие колебания. Физический маятник. Квазиупругая сила. Энергия и импульс гармонического осциллятора. Фазовая траектория.

Неделя 6. Механические колебания.

2. Свободные затухающие колебания.

2.1. Свободные затухающие колебания. Декремент и логарифмический декремент колебаний. Добротность колебательной системы.

3. Вынужденные колебания.

3.1. Вынужденные колебания. Установившиеся вынужденные колебания. Механический резонанс.

Неделя 7. Механические волны.

1.1.Виды механических волн. Упругие волны в стержнях. Волновое уравнение. Плоская гармоническая волна, длина волны, фазовая скорость. Сферические волны. Энергия упругой волны. Объемная плотность энергии волны. Вектор Умова – вектор плотности потока энергии.

1.2.Когерентные волны. Интерференция волн. Стоячая волна.

Раздел 3. Основы специальной теории относительности: элементы релятивисткой механики.

Неделя 8. Основы специальной теории относительности.

1.1 Преобразования Галилея. Инвариантность уравнений классической механики относительно преобразований Галилея.

1.2 Специальная теория относительности. Постулаты Эйнштейна. Преобразования Лоренца. Кинематические следствия из преобразований Лоренца. Релятивистский закон сложения скоростей. Интервал.

Неделя 9. Основы СТО. Релятивистская динамика.

1.3 Элементы релятивистской динамики. Кинетическая энергия релятивистской частицы. Взаимосвязь массы и энергии. Связь между импульсом и энергией релятивистской частицы. Основное уравнение релятивистской динамики.

В результате освоения курса «Физические основы механики» студент будет способен:

• Использовать методы адекватного физического и математического моделирования,  применять методы и принципы физико-математического анализа к решению конкретных естественнонаучных и технических проблем.
• Объяснить основные наблюдаемые природные и техногенные явления и эффекты с позиций фундаментальных физических взаимодействий; указать, какие законы описывают данное явление или эффект.
• Записывать уравнения для физических величин в системе СИ.

• способность использовать базовые знания естественных наук, математики и информатики, основные факты, концепции, принципы теорий, связанных с прикладной математикой и информатикой 
• способность консультировать и использовать фундаментальные знания в области математического анализа, комплексного и функционального анализа алгебры, аналитической геометрии, дифференциальной геометрии и топологии, дифференциальных уравнений, дискретной математики и математической логики, теории вероятностей, математической статистики и случайных процессов, численных методов, теоретической механики в профессиональной деятельности 
• способность анализировать социально-экономические задачи и процессы с применением методов системного анализа и математического моделирования 
• способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин и современные информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности 
• владение широкой общей подготовкой (базовыми знаниями) для решения практических задач в области информационных систем и технологий 
• способность (умение) использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования 
• способность применять соответствующий математический аппарат для решения профессиональных задач 
• способность представлять адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики
• способность выявлять естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физико-математический аппарат 
• способность применять соответствующий физико-математический аппарата, методы анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования при решении профессиональных задач 
• способность демонстрировать базовые знания в области естественнонаучных дисциплин и готовность использовать основные законы в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования 
• способность представлять адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики 
• владение физико-математическим аппаратом, необходимым для описания мехатронных и робототехнических систем
• способность использовать фундаментальные законы природы и основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности 
• способность применять методы математического анализа, моделирования, оптимизации и статистики для решения задач, возникающих в ходе профессиональной деятельности 
• способность выявлять сущность научно-технических проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, и привлекать для их анализа соответствующий физико-математический аппарат
• готовность применять физико-математический аппарат, теоретические, расчетные и экспериментальные методы исследований, методы математического и компьютерного моделирования в процессе профессиональной деятельности 
• способность использовать законы и методы математики, естественных, гуманитарных наук и экономических наук при решении профессиональных задач 
• готовность применять фундаментальные математические, естественнонаучные и общеинженерные знания в профессиональной деятельности 
• способность сочетать теорию и практику для решения инженерных задач 
• способность использовать законы и методы математики, естественных, гуманитарных и экономических наук при решении профессиональных задач 
• способность использовать в профессиональной деятельности знания и методы, полученные при изучении математических и естественнонаучных дисциплин 
• готовность использовать фундаментальные научные знания в качестве основы инженерной деятельности 

10.05.01 Компьютерная безопасность
10.05.03 Информационная безопасность автоматизированных систем
11.05.01 Радиоэлектронные системы и комплексы
12.05.01 Электронные и оптико-электронные приборы и системы специального назначения
14.05.01 Ядерные реакторы и материалы
15.05.01 Проектирование технологических машин и комплексов
16.05.01 Специальные системы жизнеобеспечения
17.05.01 Боеприпасы и взрыватели
17.05.02 Стрелково-пушечное, артиллерийское и ракетное оружие
23.05.01 Наземные транспортно-технологические средства
23.05.02 Транспортные средства специального назначения
24.05.01 Проектирование, производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов
24.05.02 Проектирование авиационных и ракетных двигателей
24.05.04 Навигационно-баллистическое обеспечение применения космической техники
24.05.06 Системы управления летательными аппаратами

- основные понятия, законы и модели общей физики
- методы математических, естественнонаучных и
общеинженерных дисциплин, используемые для ре-
шения задач анализа и проектирования информаци-
онных систем различного назначения или их компо-
нентов
- составлять методики проведения эксперименталь-
ных исследований
- обрабатывать, анализировать, оформлять и пред-
ставлять результаты экспериментальных исследова-
ний
- основы планирования научного эксперимента.

- использовать основные законы естественнонауч-
ных и общеинженерных дисциплин в профессио-
нальной деятельности
- применять естественнонаучные и общеинженерные
знания, методы математического моделирования,
анализа, и синтеза, теоретического и эксперимен-
тального исследования в профессиональной дея-
тельности
- составлять планы теоретических и эксперимен-
тальных исследований в области инженерных нано-
технологий в приборостроении.

ВЛАДЕТЬ
- методами проведения физических измерений
- навыками применения естественнонаучных и общеинженерных знаний, методов математического
моделирования, анализа, и синтеза, теоретического
и экспериментального исследования в профессио-
нальной деятельности
- методами обработки экспериментальных данных
- математическим аппаратом активного и пассивно-
го эксперимента и соответствующими программно-
информационными средствами обработки результа-
тов.
- приемами сбора, обработки, анализа и системати-
зации научно-технической информации.